钢轨探伤1章理论 - 图文(5)

5．波的衍射

波在传播过程中遇到障碍物时能绕过其边缘并继续前进的现象称为波的衍射或绕射。超声波在传播过程中遇到障碍物时，一方面产生反射和折射，另一方面产生绕射。如果障碍物尺寸远小于超声波波长，则超声波传播时几乎只绕射而无反射，由于绕射使反射回波减弱，因此，一般认为超声波探伤所能探测到的最小缺陷尺寸为

?/2。

6．惠更斯定理

惠更斯在波动的起源和波动在弹性介质中传播的规律基础上，总结了通过障碍物上小孔所形成新的波动与孔前的波动状态有关这一实验现象（如图1－12所示），并提出了著名的惠更斯原理：介质中波动传到的各点都可看作是发射子波的波源，在其后的每一时刻，这些子波的包络就决定新的波阵面。

图1－12 障碍物上小孔成为新波源

用点振动源波阵面的包络来解释波动现象的惠更斯原理是介于几何声学和波动理论之间的方法，是一种工程上实用的方法，这对讨论超声场、超声波指向性及缺陷声压反射率计算和波的传播问题，具有重要的指导意义。

（六）超声波的反射、折射和波型转换

超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，部分能量反射回原介质内，称反射波，另有部分能量透过界面进入另一种介质，称透射波。界面上

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这种声能（声压、声强）的分配和传播方向的变化都遵循一定的规律。

在工业生产中常运用超声透射法对产品进行无损探测。超声波发生器发射出的超声波能够透过被检测的样品，被对面的接收器所接收（图1－13a）。如果样品内部有缺陷，超声波就会在缺陷处发生反射（图1－13b），这时，对面的接收器便收不到或者不能全部收到发生器发射出的超声波信号。这样，就可以在不损伤被检测样品的情况下，检测出样品内部有无缺陷。

图1－13 超声探伤

1．超声波垂直入射单层界面时的反射和透射

当超声波从声阻抗为Z1介质垂直入射到声阻抗为Z2的介质，其界面为足够大的单一光滑平界面时，则服从表1－5所示的反射和透射规律：

表1－5 平面波垂直入射到单一平界面的反射与透射规律

项 目 概 念 界面上反射波声压Pr 与入射波声压Ｐ0 之比 界面上透射波声压Ｐt 与入射波声压Ｐ0 之比 界面上反射波声强与Ｉr 与入射波声强Ｉ0 之比 界面上透射波声强Ｉt 与入射波声强Ｉ0 之比 透射声波无损失（如固/气界面产生全反射）地反射返回到接收处的声压Pa与入射波表 达 式 反射、透射 示意简图 声压反射率（r） r?t?R?T?PrZ?Z1 ?2PZ1?Z20声压透射率（t） P2Z2 t?PZ2?Z10IrZ?Z12 ?r2?(2)I0Z1?Z2It4Z1Z2 ?I0(Z1?Z2)2声强反射率 （R） 声强透射率（Ｔ） 声压往复透射率（Ｔ） T?PaPtPa4Z1Z2 ???P0P0Pt(Z1?Z2)2 - 22 -

声压Ｐ0 之比 表1－5说明，超声波垂直入射到平界面上时，声压或声强的分配比例仅与界面两侧介质的声阻抗有关。表中公式不仅适用于纵波入射，也适用横波入射（但必须注意在固／液与固／气界面上，横波将全反射）。一般情况下界面两侧的声阻抗有以下三种表现：

（1）当Z1≈Z2时，即界面两侧的声阻抗近似相等，如普通碳钢焊缝的母材与焊接金属之间的声阻抗相差很小，一般约为1%，这时可以得到r≈0，t≈1。显然，这种情况下，声压几乎全透射，无反射。因此，在焊缝探伤中，若母材与焊接金属结合面没有任何缺陷，就不会产生界面回波。

（2）当Z1 > Z2时，如钢／机油界面，计算可得反射率为95%，透射率5%，所以在试块上调试灵敏度时，如反射体（平底孔或横通孔）内渗入机油，会导致声能的透射而使反射回波略有下降。

（3）当Z1 >> Z2时，如钢／空气界面，计算可得： r≈－1，t≈0，R≈1，T≈0。显然，此时声压几乎全反射而无透射。因此，实际探伤中，探头与工件间或探头与保护膜间如不施加耦合剂，则形成固（晶片）／气界面，超声波将无法进入工件。

2．超声波垂直入射双层界面时的反射和透射

超声波探伤中，经常会遇至垂直入射双层平行界面的情况，如复合板的探伤，工件中片状缺陷的检测，探头与保护膜间的耦合，以及钢轨擦伤引起表面剥离层等，虽然声波通过每一层界面时仍服从反射和透射规律，但由于薄层中声波的叠加，使反射和透射规律更为复杂。

（1）工件中夹有片状缺陷（Z1=Z3≠Z2），它的声压反射率与缺陷厚度有关，当厚度为半波长的整数倍时，缺陷的反射声压很弱，呈现半波透声现象，为了提高缺陷声压反射率，可采取改变探伤工作频率，增加缺陷的反射声压，有利于缺陷检测，但改

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变后的频率不能是原频率的整数倍。

（2）钢轨擦伤引起的剥离层若厚度大，超声波在剥离层往复传播一次所用时间大于脉冲宽度，则能在荧光屏上显示多次反射波，如果剥离层的厚度很小，而脉冲宽度较大时，多次反射波会重叠在一起，形成宽而杂的回波。

（3）探头与保护膜之间的耦合层（Z1≠Z2≠Z3），要实现良好的透声性，就应注意耦合层材料的声阻抗和厚度的选择，一般Z2?Z1?Z3，厚度为1/4波长的奇数倍

透声性最好。如选择不恰当的耦合层或是在探头和保护膜之间加的凡士林过厚都会使探伤灵敏度下降。

3．超声波倾斜入射时的反射、折射和波型转换

当超声波倾斜入射到异质界面时，除产生反射、折射（透射）现象以外，还往往伴随着波型转换现象，即产生与入射波不同类型的反射波和折射波。这种现象只发生在斜入射且介质为固体（因为液、气体介质中只能传播纵波）的场合，并与界面两侧介质的状态有关。具体规律详见表1－6所示。

表1－6 超声波斜入射时的反射、折射和波型转换

波型 一 般 情 形 图 示 规律（表达式） 说明 1． 指不考虑有波型转换的入射情况。 2． α、γ、β－－波的入射角、反射角和折射角。 sin?sin?sin? ??C1C1C2 c1、c2－－超声波分别在两种介质中的传播速度。 3． 该表达式为超声波倾斜入射时的反射和折射定律，又称斯涅尔定律。 1． 以固－固界面分析，两种介质中都有波型转换，即经界面反射和折射后，不仅仍有纵波，还出现了横波。 2． CL1、CL2－－两介质中的纵波声速。 纵 波 入 射 sin?Lsin?Lsin?s??CL1CL1CS1?sin?Lsin?S?CL2CS2 CＳ1、CS2－－两介质中的横波声速。 γＬ、γＳ－－纵、横波反射角。 βＬ、βS－－纵、横波折射角。 αＬ－－纵波入射角。 3.. 若CL2 > CL1 ，则βＬ=90°时对应的纵波入射角称 - 24 -

为第一临界角，用αⅠ表示。若CS2 > CL1 ，则βS = 90°时对应的纵波入射角称为第二临界角，用αⅡ表示。 1. 以固－固界面分析，两种介质中都有波型转换，横 波 入 射 sin?Ssin?Lsin?S??CS1CL1CS1?sin?Lsin?S?CL2CS2即经界面反射和折射后，不仅仍有横波，而且 出现了纵波。 2. αS －－ 横波入射角。 3. .当γＬ= 90°时，对应的横波入射角称为第三临界角，用αⅢ 表示。 （1）临界角的特点 由表1－6通过计算可知： αⅠ＝arcsin

CCL1C；αⅡ＝arcsin L1；α Ⅲ = arcsin S1 。

CL1CL2CS2若第一介质中的纵波入射角αL＜αⅠ，则第二介质中既存在折射横波，又存在折射纵波。若αL=αⅠ～αⅡ，则第二介质中只存在折射横波，不存在折射纵波。这就是常用横波探头的设计原理和依据。若αL＞αⅡ，则第二介质中既无折射纵波，也无折射横波，但这时在第二介质表面形成表面波。这就是常用表面波探头的设计原理和依 …… 此处隐藏：1616字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……